A mikrovezérlők Áttekintő előadás

Áttekintés A mikrovezérlők az elektronikai tervezésben A mikrovezérlők architektúrája Az alapvető részegységeik

Az elektronikai tervezés eszközei 1 Megvalósítási lehetőségek: Diszkrét elemekből való építkezés Előnyei: Olcsóbb, rövidebb fejlesztési idő Könnyebben kipróbálható, módosítható a terv még a késői fázisokban is ASIC áramkör – chip tervezés A feladathoz pontosan illeszkedő megoldás Optimális méret, fogyasztás, sebesség A továbbiakban a diszkrét elemekből felépülő áramkörök tervezésével foglalkozunk

Az elektronikai tervezés eszközei 2 A döntéshozatal, vezérlés, kommunikáció problémája Hamar felmerül egy bonyolultabb feladat esetén Egy funkció engedélyezése bizonyos mennyiségek értékének a függvényében (termosztát) Egy beavatkozó egység vezérlése mért mennyiségek értékének a függvényében (kijelző háttérvilágítása a fényviszonyok függvényében) Adatok vétele/adása más áramköri egységek, PC, stb. felé (mérés-adatgyűjtés) ... rengeteg egyéb feladat, és példa hozható még

Az elektronikai tervezés eszközei 3 A fenti feladatok általában nem oldhatóak meg hatékonyan diszkrét logikai elemek segítségé-vel (kapuk, flopok) Összetettebb vezérlő áramkörök: FPGA processzor

Az elektronikai tervezés eszközei 4 FPGA Programozható módon konfigurálható digitális áramkörök Kapcsolási rajzzal vagy HDL-el lehet tervezni Valódi párhuzamosság valósítható meg Közel ASIC szinten, a feladathoz igazodó digitális áramkört nyerünk Gyors és bonyolult rendszerek valósíthatóak meg velük Tisztán digitálisak

Az elektronikai tervezés eszközei 5 Processzorok Programot futtató általános digitális áramkörök Szekvenciális végrehajtásra képesek (egyik programsor a másik után) Assemblyben, vagy magas szintű programnyelven (BASIC, C, stb.) programozhatóak Általános áramkörök, architekturálisan nem illeszkednek a feladathoz Speciális csoportjuk a mikrovezérlők, melyek analóg és digitális áramköri megoldásokhoz lettek kialakítva

A mikrovezérlők 1 Tipikus vezérlési feladatok: Analóg jelek digitalizálása és feldolgozása Időzítés Külső jelek figyelése és reagálás a változásokra Kommunikáció más áramkörökkel: Sok digitális port biztosítása különböző protokollok megvalósítása (USART, I2C, SPI, stb.) Digitális-analóg konverzió és/vagy pulzus-szélesség moduláció (PWM) A mikrovezérlők olyan processzorok, amelyek kiegészülnek a fenti funkciókkal

A mikrovezérlők 2 Felépítésük alkalmazkodik a felhasználási területhez, igényekhez: Kis fogyasztás Kis zavarérzékenység (egy vezérlés nem „szállhat el”!) Egyszerű, gyorsan végrehajtható utasításkészlet Gyors fetch műveletet biztosító architektúra Védelem a tápfeszültség-ingadozás miatti működési hibák ellen Lefagyás-védelem

A mikrovezérlők 3 Bár univerzális áramkörök, de léteznek egy adott felhasználási területre speciálisan alkalmazható típusok: Autoelektronika (CAN-busz) RF kommunikáció (ZigBee, Bluetooth) Világítástechnika LCD vezérlés Elemes alkalmazások USB-s alkalmazások ...

A mikrovezérlők architektúrája Analóg portok Digitális portok CPU A perifériák vezérlése, speciális µC funkciók

A mikrovezérlők CPU-ja 1 általában Harvard architektúra: A program- és az adatmemória külön helyezkedik el Tulajdonságok, következmények, előnyök: Program memória flash, adatmemória RAM Egy órajel alatt elvégezhető az utasítás és az operandusok elővétele (fetch) A programmemória zavarvédettebb Az adat és a programmemória lehet különböző szélességű

A mikrovezérlők CPU-ja 2 RISC: Reduced Instruction Set Computer Kis számú, egyszerű utasítást ismer Az utasítások lehetnek ugyanolyan szélesek, így egyszerűbb és gyorsabb a feldolgozásuk (legtöbb utasítás végrehajtási ideje: 1 órajel ciklus!) A műveleteket alapvetően regiszterekben végzik el (mivel kevés címzési mód van, és a regiszteresek preferáltak) – ennek következménye, hogy a RISC processzorokban általában sok a regiszter (pl. ATmega8: 32 általános célú regiszter van)

A mikrovezérlők CPU-ja 3 A gépi szóhossz: 4, 8, 16, 32 bit 4 bites: már nem jellemző 8 bites: az egyszerűbb vezérlők körében a legelterjedtebb pillanatnyilag 16 bites: pl. a gépkocsik ABS-ében 32 bites: egyre elterjedtebb, főképp a nagy mikrovezérlők körében

A mikrovezérlők CPU-ja 4 A párhuzamosság megvalósítása Maga a CPU szekvenciális, de a többi részegység működőképes önállóan Így pl. egy AD átalakítás ideje alatt dolgozhatunk (pl. Feldolgozhatjuk az előző adatot) Ennek megvalósításához szükség van megsza-kításokra, amelyek jelzik a program számára egy párhuzamosan végzett művelet megtörténtét, állapotát

A mikrovezérlők főbb egységei 1 Digitális portok Külső megszakítások Időzítők AD-átalakító Analóg komparátor Kommunikációs interfészek: SPI USART TWI

A mikrovezérlők főbb egységei 2 Digitális portok Ki- és bemenetként is használhatóak A beolvasás és a kiírás is egy regiszter megfelelő bitjének a megvizsgálása illetve beállítása Beállítható rájuk egy belső felhúzó ellenállás (ez olyankor is hasznos, ha nincsenek használatban, ugyanis a lebegő lábon áram szivároghat) A lábak áramterhelhetősége korlátos (~10 mA)

A mikrovezérlők főbb egységei 3 Külső megszakítások: Egy külső esemény (felfutó/lefutó él, logikai szint) hardveres megszakítást vált ki az eszközben Egy ilyen lábnak az értékét programból változtatva kialakítható szoftveres interrupt is

A mikrovezérlők főbb egységei 4 Időzítők Időzítés Bemenet figyelés (frekvencia mérés) Kimeneti komparálás PWM WDT

A mikrovezérlők főbb egységei 5 Az AD átalakító Felbontás: 8-12 bit Külön tápfeszültség Belső / külső referencia Több, multiplexelt csatorna Egyszeri vagy sorozatos konverzió mód Interupttal jelzi a konverzió befejeztét Sleep móddal segített zajszűrés

A mikrovezérlők főbb egységei 6 Kommunikációs protokollok 1: USART: RS-232, soros protokoll Ipari szabvány, használható digitális eszközök közötti kommunikációra A PC soros portján keresztül a számítógéphez való kapcsolódás legegyszerűbb eszköze A soros állapotgép általában automatikusan működik, csak meg kell adni / ki kell olvasni a küldendő / fogadott bájtot

A mikrovezérlők főbb egységei 7 Kommunikációs protokollok 2: TWI – two wire interface: I2C – soros, kétvezetékes protokoll A Philips fejlesztette ki Előnye, hogy hardveresen nagyon egyszerű megvalósítani Sok érzékelő IC használja (pl. DS1621 – hőmérséklet mérő IC)

A mikrovezérlők főbb egységei 8 Kommunikációs protokollok 3: SPI – serial peripheral interface: Szintén elterjedt protokoll – például ismerik az SD kártyák Az Atmel mikrovezérlők felprogramozása is történhet SPI-n keresztül

Mikrovezérlőt gyártó cégek